CN104487813B - 在柔性衬底上图案化导电膜的方法 - Google Patents

在柔性衬底上图案化导电膜的方法 Download PDF

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Abstract

一种图案化导电膜的方法通过提供在其上承载所述导电膜的柔性衬底以形成组合层来执行。然后，使所述组合层围绕曲率半径弯曲，以便沿弯曲表面的曲率轴在所述脆性导电膜上施加应力。向所述导电膜施加所述应力导致大体垂直于所述衬底和所述导电膜弯曲方向的裂缝线的形成。裂缝线用于在其之间限定导电部分并且使所述导电部分电绝缘，所述导电部分可在电子器件中用作电极和地址线。

Description

在柔性衬底上图案化导电膜的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年1月20日提交的美国临时申请号61/632,236的权益，此申请的内容以引用的方式并入本文。
技术领域
总体来说，本发明涉及形成导电电极的方法。具体地说，本发明涉及在柔性衬底上形成导电电极的方法。更具体地说，本发明涉及通过控制设置在柔性衬底上的导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))层的破裂来形成图案化电极的方法。
背景技术
典型平板显示器，如LC(液晶)显示器和等离子显示器，利用真空沉积在刚性玻璃衬底上的导电的铟-锡-氧化物(ITO)薄膜来控制显示器的多种操作功能。也就是说，在所述平板显示器的生产期间，使用常规光微影技术将ITO膜图案化为光学透明的电极。另外，利用光微影技术生产平板显示器需要电极至显示器的驱动电路的精确并准确的接合，这可能是昂贵的。然而，近来平板显示器工业已试图用柔性衬底(如由柔性塑料形成的那些)代替刚性玻璃衬底的使用，同时仍然保持使用ITO或其它导电聚合物，使用改进的印刷和光微影技术来形成透明电极。
另外，虽然ITO具有许多电子应用(包括例如平板显示器和光伏器件)所需要的期望光学特性和电特性，但是ITO是脆性的，并且当其上承载ITO膜的衬底弯曲或挠曲时，ITO容易破裂。因此，使用ITO的电子器件倾向于易碎并且需要小心处理，并且在一些情况下，可导致所述电子器件的降低的生产率。相反，为ITO的替代物的导电聚合物具有比ITO更具柔性并且能够在利用印刷和光微影技术的电子器件制造工艺中使用的优点。然而，与ITO相比，导电聚合物具有多种缺点，包括减小的导电性和减小的透光性。
因此，存在对于一种低成本的将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化为导电电极的方法的需要。另外，存在对于一种与连续的卷装进出(roll-to-roll)制造工艺相容的将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化为导电电极的方法的需要。另外，还存在对于一种将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))图案化为精确限定的导电电极的方法的需要。另外，存在对于一种易于执行并且消除了对于昂贵的以及对环境有害的材料和溶剂的需要的在柔性衬底上图案化导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))的方法的需要。
发明内容
根据上文，本发明的第一方面提供一种图案化导电膜的方法，所述方法包括：提供具有设置在其上的导电膜的柔性衬底以形成组合层、使所述柔性衬底围绕曲率半径弯曲，以及使所述曲率半径沿所述组合层移动以在所述导电膜中形成多个裂缝线，其中所述多个裂缝线中的每一对在其之间限定导电部分并且使所述导电部分电绝缘。
本发明的另一个方面在于提供一种图案化导电膜的方法，所述方法包括：提供具有设置在其上的导电膜的柔性衬底，以便形成细长的组合层；提供第一和第二大体平行的板，所述板通过间隙间隔开；将所述衬底的一部分附接至第一板和第二板中的每一个，以使所述组合层以曲率半径横跨所述间隙弯曲；以及使所述第一板和所述第二板中的一个相对于另一个滑动，以便使所述组合层以所述曲率半径弯曲，以便在所述导电膜中形成多个裂缝线，从而所述多个裂缝线中的每一对在其之间限定导电部分并且使所述导电部分电绝缘。
附图说明
参考以下描述、附加权利要求和附图将更好地理解本发明的这些和其它特征和优点，其中：
图1A为示出根据本发明的概念，由PET衬底和设置在其上的铟-锡-氧化物(ITO)膜形成的组合层的正视图；
图1B为示出根据本发明的概念，组合的PET/ITO层围绕曲率半径弯曲以在ITO膜中形成裂缝线的正视图；
图1C为示出根据本发明的概念，组合的PET/ITO层已弯曲之后在ITO膜中形成的裂缝线的正视图；
图2为根据本发明的概念，组合的PET/ITO层的透射光学显微镜图像的示意性表示，其示出在ITO膜中形成的裂缝线；
图3为根据本发明的概念，示出组合的PET/ITO层在分开预定距离的两个平玻璃板之间滚动以在ITO膜中形成裂缝线的正视图；并且
图4为根据本发明的概念，组合的PET/ITO层的扫描电子显微镜(SEM)图像的示意性表示，其示出在ITO膜中形成的裂缝线。
具体实施方式
提出一种将设置在柔性衬底上的导电膜图案化以形成导电电极的方法。具体来说，将可包含铟-锡-氧化物(ITO)或其它合适材料的薄导电膜10涂覆在柔性衬底20上，以形成组合层30，如图1A中所示。一方面，柔性衬底20可包含聚对苯二甲酸乙二酯(PET)以及任何其它合适的柔性材料，例如像塑料。可使用任何合适的工艺，例如像溅射或真空沉积，将ITO膜10涂覆或以其它方式设置在柔性衬底20上。一旦将ITO膜10设置在柔性衬底20上，就向组合层30施加应力，以使ITO膜10破裂成为电绝缘的导电部分。确切地说，使ITO膜10破裂的能力是其脆性(即，不能维持尺寸变化而不断裂)以及衬底20被挠曲的能力导致的。
为了使导电ITO膜10破裂或以其它方式将其图案化，通过机械挠曲或通过热应力的施加向ITO膜10施加应力。通过使组合层30以待讨论的方式弯曲来实现机械挠曲，弯曲的曲率半径从而相反地控制施加至衬底20和ITO膜10的机械应力的量值。也就是说，用于形成弯曲的曲率半径越小，施加到衬底20和ITO膜10上的机械应力的量越大。或者，在对组合层30热处理的情况下，衬底20和导电ITO膜10具有不同的热膨胀系数，以使温度的改变将产生机械应变，所述机械应变用于在导电ITO膜10中产生裂缝线
因此，在将ITO膜10设置在柔性衬底20上之后，通过使衬底20弯曲来向组合层30施加机械应力，以便具有指定为“R”的曲率半径。一方面，曲率半径R可通过简单地使组合层30在其自身弯曲来产生，或通过使组合部分围绕大体圆柱部分32(如杆)弯曲来产生，以使组合层围绕曲率半径R延伸设定量，例如像约180度，如图1B中所示。施加至导电ITO膜10的弯曲应力在ITO膜10中形成多个均匀间隔的裂缝线40，如图1C和图2中所示。裂缝线40在ITO膜10中形成为以与组合层30正在弯曲的方向大体垂直的方向延伸的线。另外，间隔的裂缝线40在其之间在ITO膜10中限定大体均匀的导电带或导电部分50。另外，应了解，裂缝线40使相邻导电带或导电部分50彼此电绝缘，从而允许导电部分50充当导电电极。
继续参考图1A至图1B，先前讨论的通过组合层30的机械弯曲施加的应力可根据以下方法进行计算。应了解，出于以下讨论的目的，导电膜10的厚度通常比衬底20薄几个数量级。因此，当计算施加至组合层30的应力时，导电膜10的厚度忽略不计，如以下所呈现。确切地说，参考图1B，在其中衬底20由PET形成并且围绕具有曲率半径“R”的弯曲部分32弯曲180度的情况下，邻近弯曲部分32的曲率半径R的衬底20内表面的长度等于πR。衬底20的外表面具有比其内表面更长的长度，这允许衬底20适应指定为“T1”的衬底膜20的厚度。另外，衬底20的长度等于πT1，并且衬底20围绕其弯曲的曲率半径增加至R+T1，得到膜的总长π(R+T1)。因此，应力可表示为衬底20适应弯曲所需要的长度的相对增加，并且由以下方程式定义：其简化为T1/R。因此，衬底厚度20与用于使组合层30弯曲的弯曲部分32的曲率半径R的比限定了施加至组合层30的应力，其最终导致在导电ITO膜10中形成裂缝线40。
换句话说，由于柔性衬底20围绕由弯曲部分32提供的曲率半径R弯曲，如图1B中所示，所以衬底20的外表面伸长和/或衬底的内表面收缩由曲率半径R和衬底的厚度T1限定的量，以便适应弯曲。衬底20外表面的长度将比围绕弯曲的衬底20的内表面的长度长衬底20厚度T1的π倍，如图1B中所示。因此，由弯曲诱导的应力的相对量等于衬底20的厚度T1相对于正用于使组合层30弯曲的弯曲部分32的曲率半径R的比。例如，在其中衬底20包括由具有约7密耳或约0.17mm的厚度T1的PET形成的衬底并且围绕具有1mm的曲率半径R的弯曲部分32紧密弯曲的情况下，衬底20长度的改变％将为17％，这足以在ITO膜10中产生裂缝线40。
或者，还可通过向组合层30应用热变化，以便相对于导电ITO膜10的尺寸改变衬底20的尺寸来在导电ITO膜中形成裂缝线40。也就是说，如果柔性衬底20的热膨胀系数显著不同于导电膜10，那么可通过加热或冷却组合层30来在导电膜10中产生裂缝线40。另外，如果热膨胀系数对于柔性衬底20是各向同性的，那么组合层30的温度变化将在导电膜10中产生随机对准的裂缝线。或者，可能使用以一个方向均匀拉伸的柔性衬底20。将组合层30加热至玻璃转变温度以上将产生衬底20的在一个方向上的大的均匀收缩，所述收缩可用于在导电膜10中产生均匀的裂缝线，类似于由先前讨论的弯曲技术产生的那些。
因此，导电膜10中形成的裂缝线40用于破坏或至少大大减小导电膜10的导电性，并且因此用于使导电膜10的相邻的导电部分或导电带50电绝缘。因此，导电ITO膜10的受控破裂允许形成规则间隔的裂缝线40，这允许所述工艺用于在具有精确形状和尺寸的导电膜10中形成电极图案。例如，可通过均匀地滚动涂有铟-锡-氧化物(ITO)薄膜10的聚酯PET衬底20来产生分开5-10微米的均匀的裂缝线40。ITO膜10中的裂缝形成为垂直于弯曲方向的线。
在实验评估期间，通过将组合层30定位在通过具有预定距离的间隙112间隔开的两个厚的、相对的平玻璃板100与110之间来在导电ITO膜10中形成裂缝40，如图3中所示。应了解，板100、110可由任何合适的材料(例如像铝)形成。一方面，板100和110可通过滚动间隔件114分开，所述滚动间隔件114如圆柱形杆或其它可滚动物品或辊，如球轴承或珠粒，以维持板100、110处于大体平行布置，以限定待向组合层30赋予的曲率半径并且促进板100、110相对于彼此的移动。确切地说，组合层30被定位，以使柔性衬底20的一个端部附接到玻璃板100的内表面120，而柔性衬底20的另一个端部附接到另一个玻璃板110的内表面130，如图3中所示。接下来，组合层30在两个板100、110之间滚动，ITO膜10和衬底20从而被弯曲由曲率半径R限定的量，所述曲率半径R由间隙112的大小确定。一方面，在此构型中，柔性衬底20弯曲约180度。因此，裂缝线40在ITO膜10中沿弯曲或沿曲率轴R形成，以便适应由通过间隙112限定的曲率半径r施加的应力。例如，图4示出通过使组合层30弯曲产生的裂缝线40的SEM(扫描电子显微镜)图像，其中板100、110被间隔，以使间隙112向组合层30赋予1mm的曲率半径。
因此，一方面，预期的是，限定导电部分50的宽度的将裂缝线40分开的距离随着用于使组合层30弯曲的曲率半径R的增加而增加，从而所述分开的量取决于多种其它指标，包括但不限于：ITO膜10的厚度，以及ITO膜10和衬底20的柔性和脆性。例如，对于1毫米或更小的曲率半径，裂缝线分开约2-8微米，如图2和图3中所示。在另一个实施例中，约2mm的曲率半径可产生分开约10-20微米的裂缝线。
接着，在ITO膜10已弯曲以在其中形成裂缝线40之后，当沿裂缝线40测量时，ITO膜10的导电性基本上保持不变，而与用于完成弯曲过程的曲率半径R无关。对于利用近似1mm或更小的紧密或小曲率半径R的弯曲，垂直于所形成的裂缝线40所测量的电导率降低超过一个数量级。以下表1示出作为弯曲曲率半径R的函数的ITO膜10的并联电阻和垂直电阻(电导率的倒数)，其中示出虽然垂直电导率(即，垂直于裂缝线40的方向上的电导率)随着减少的曲率半径R而减少，但其并不消除。
或者，可将裂缝线40扩大以增大平行于和垂直于裂缝线40的方向所测量的电导率的差分。例如，使用稀HCL的光化学蚀刻可用于去除裂缝线40中保留的ITO的任何残余物，所述残余物将促进裂缝线40两端的电传导。因此，裂缝线40的电导率进一步减小。
另外，为了进一步减小裂缝线40的电导率，可在垂直于裂缝线40的方向上单轴向地拉伸衬底20。单轴向拉伸已显示将电导率的差分再提高一个数量级至超过500:1。
另外，使用上述ITO破裂工艺形成导电电极的方法可用于形成聚合物分散的液晶(PDLC)光闸或窗口。另外，裂缝线40的平行方向与垂直方向之间的差分电导率允许裂缝线40之间的各个导电部分50用于寻址应用，这通过仅在衬底20的部分的两端形成电接触来对适当的导电部分50充电来达成。因为电场可在裂缝线40两端导电，所以还取决于所施加电场的频率，在较小程度上对未寻址导电部分50进行充电。另外，差分电导率将允许在所述应用中使用低得多的频率。
另一方面，可用作多种电子器件(如LCD(液晶显示器))的地址线的由连续的裂缝线40之间的空间因此限定的导电部分50可通过使导电膜10在交叉方向上破裂来形成，以形成用于在多种电子应用中使用的多路复用地址线。例如，一方面，相邻裂缝线40之间的分开可如此形成为约5-20微米，这同时导致所形成的导电部分或导电带50的宽度也为约5-20微米。因此，因为目前商业上生产的平板显示器的像素大小约为100-200微米，所以用于将包括导电部分50的电极耦接至显示器的驱动电路的接合工艺不需要相同的高度准确的对准，而当使用典型光微影图案化ITO带或部分时所述对准将是必需的。
基于上文，本发明的优点易于显而易见。本发明的主要优点是提供了一种方法，所述方法用于将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化为形成用于多种电子器件应用的电极的电绝缘的导电部分。本发明的另一个优点是将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化为ITO的单独的导电部分的方法易于执行并且可在现有连续卷装进出工艺上实施，而不需要目前所使用的复杂的光微影或印刷工艺。本发明的一个另外的优点是将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化的方法允许将电极接合至显示器驱动电路或其它电路，而不需要在其之间的准确对准，所述对准在传统的光微影图案化的ITO带或部分中是需要的，这降低了平板显示器的成本和制造复杂度。本发明的另一个优点是将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化的方法可在高产量并且低成本的工艺中实施。本发明的另一个优点是将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化的方法使用可靠并且经济的工艺来生产彼此绝缘的导电ITO部分。本发明的另一个优点是将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化的方法仅需要其上承载ITO膜的衬底的受控弯曲以形成导电ITO线。本发明的另一个优点是将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化的方法在将承载ITO膜的衬底挠曲和/或拉伸时立即形成裂缝，以便在所形成的裂缝之间形成导电部分。本发明的另一个优点是将导电膜(如铟-锡-氧化物(ITO))在柔性衬底上图案化的方法允许以以下方式形成导电电极：无源电极间区域最小化，而有源电极区域最大化。
因此，可见本发明的目标已由以上呈现的结构以及其使用方法满足。虽然根据专利法规，仅详细呈现并描述了最佳模式和优选实施方案，但是应了解，本发明不限于此或由此限制。因此，为了认识本发明的真实范围和宽度，应对以下权利要求进行参考。

Claims (8)

1.一种图案化导电膜的方法，所述方法包括：
提供具有设置在其上的导电膜的柔性衬底，以便形成细长的组合层；
将所述组合层定位在间隔开的第一板和第二板之间形成的间隙；
将所述组合层的第一部分附接至靠近所述间隙的所述第一板的内表面；
将所述组合层的第二部分附接至靠近所述间隙的所述第二板的内表面，其中所述板的所述组合层的所述第一部分和所述第二部分的附接在所述组合层中形成弯曲，该组合层以曲率半径横跨所述间隙定位在所述第一板和所述第二板之间；以及
使所述板中的一个相对于另一个移动以围绕所述曲率半径滚动在所述第一板和所述第二板之间的所述组合层，
其中，所述移动步骤在所述导电膜中形成多个裂缝线，从而所述多个裂缝线中的每一对在其之间限定导电部分并且使所述导电部分电绝缘。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电膜的厚度小于所述衬底的厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述移动步骤，以使所述组合层围绕所述曲率半径弯曲约180度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述曲率半径为约1mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述导电膜包含铟-锡-氧化物ITO。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述衬底包含聚对苯二甲酸乙二酯PET。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一板和所述第二板通过至少一个辊间隔开。
8.根据权利要求1所述的方法，其中执行所述移动步骤以使所述组合层持续弯曲。
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